Jak dobrać pompę do układu hydraulicznego?

Pompa hydrauliczna – dobór do projektowanego układu hydraulicznego

Aby prawidłowo dobrać pompę do budowanego układu, należy odpowiedzieć sobie na kilka pytań:

1. Czym będziemy napędzali określony element roboczy (siłownik czy silnik hydrauliczny)?
2. Z jaką prędkością będziemy wykonywali określone ruchy elementów roboczych?
3. Z jaką siłą będziemy wykonywali dany ruch lub jaką masę będziemy napędzali?
4. W jaki sposób będziemy regulowali prędkość poszczególnych posuwów?
5. W jaki sposób będziemy regulowali ciśnienie technologiczne w poszczególnych ruchach?
6. Czy będziemy wykonywali pojedyncze ruchy, czy jednocześnie kilka funkcji?
7. Jakie założenia finansowe ma realizowany projekt?

W zależności od wykorzystanego elementu napędowego, czyli siłownika lub silnika hydraulicznego, musimy znać ich zapotrzebowanie na olej, czyli chłonność. Przy wykorzystaniu silników hydraulicznych powinniśmy posłużyć się dokumentacją techniczną silnika. Znajdziemy w niej informację o chłonności silnika przy określonej prędkości obrotowej wałka. Przy zastosowaniu siłownika hydraulicznego musimy znać jego objętość. Tu trzeba pamiętać, że siłownik hydrauliczny dwustronnego sterowania z jednostronnym tłoczyskiem ma dwie różne objętości robocze, ponieważ tłoczysko odbiera część objętości roboczej. W związku z tym trzeba wiedzieć, czy najszybszy ruch będziemy wykonywali przy wysuwaniu tłoczyska, czy wciąganiu tłoczyska. Objętość siłownika obliczamy z wzoru na objętość walca. Jeżeli interesuje nas objętość siłownika od strony tłoczyska, to od objętości cylindra trzeba odjąć objętość tłoczyska.

Znając chłonność silnika lub objętość siłownika, możemy wyliczyć potrzebną wydajność pompy niezbędną do uzyskania zakładanej szybkości obrotowej wałka lub szybkość posuwu realizowanego siłownikiem. Wyliczając chłonność poszczególnych ruchów, trzeba pamiętać, że pompa powinna być dobrana tak, aby miała ok. 10-20-procentowy zapas wydajności w stosunku do zapotrzebowania układu, ponieważ wyliczamy geometryczne wartości, a każdy układ posiada swoje przecieki wewnętrzne uzależnione od rodzaju wybranych podzespołów do zabudowy systemu, oraz że w zależności do temperatury roboczej oleju wydajność pompy będzie spadać. Ważne jest też, aby pamiętać, że pompa się zużywa, a zapas wydajności musi nam posłużyć do utrzymania parametrów technologicznych w czasie jej eksploatacji. Nadmierny zapas wydajności może jednak powodować grzanie się oleju i nadmierne zużywanie energii do napędzania pompy.

Sposoby regulacji szybkości posuwów w układach z pompą do wody

O ile wydajność pompy ma bezpośredni wpływ na szybkość posuwów, o tyle ciśnienie nie. Sprawna pompa niezależnie od tego, czy pracuje przy maksymalnym ciśnieniu, czy bez ciśnienia, przy określonej prędkości obrotowej wałka silnika napędzającego ma stałą wydajność, z wyjątkiem pomp o zmiennej wydajności. Różnice szybkości związane z ciśnieniem wynikają z oporów przepływu oleju i tarcia współpracujących elementów. Ciśnienie robocze układu ma wpływ na szybkość posuwu w przypadku dużego dławienia przepływu. Trzeba pamiętać, że każde dławienie powoduje spadek ciśnienia za dławikiem. Jeżeli obliczamy kryzę regulującą przepływ, to zakładamy, jaki spadek ciśnienia wywoła jej zastosowanie. Szybkość przepływu przez dławik wiąże się z ciśnieniem, przy którym przepływ się odbywa. Dla nas w tym przypadku jest ważne, aby wydajność pompy nie była zbyt duża, bo wówczas będziemy musieli stosować duże dławienie, co w efekcie może spowodować spadek siły napędzającej dany element lub – jeżeli to konieczne – trzeba założyć takie ciśnienie robocze dla pompy, aby spadek ciśnienia za dławikiem pozwalał na normalną pracę w pełnym zakresie regulacji przepływu. Dodatkowy problem stanowi piętrzenie strumienia oleju przed dławikiem, co skutkuje grzaniem się oleju i w znaczny sposób obniża sprawność układu. Sposób regulacji szybkości posuwów ma zasadniczy wpływ na sprawność maszyny.

Możemy zastosować 3 sposoby regulacji szybkości:

• manualny regulator przepływu,
• proporcjonalny regulator przepływu,
• pompa o zmiennej wydajności sterowana proporcjonalnie.

To rozwiązanie jest najlepsze pod względem sprawności układu. Ma w zasadzie wyłącznie zalety, ponieważ nie wymaga żadnego dławienia, a prędkość posuwu wiąże się wyłącznie z wydajnością pompy. Wadą jest możliwość stosowania w układach, które w jednej chwili realizują jeden ruch. Jeżeli w układzie stosujemy pompę wielostrumieniową, to każdy strumień może zasilać inny posuw. Inne wady to cena oraz wymagania techniczne i serwisowe. Jeżeli stosujemy proporcjonalne regulatory przepływu lub rozdzielacze proporcjonalne, to możemy w układzie zastosować pompę o stałej albo zmiennej wydajności. Oczywiście najlepiej stosować pompę o zmiennej wydajności, ponieważ w sytuacji, gdy dławimy przepływ, pompa automatycznie dostosowuje swoją wydajność do zapotrzebowania układu. W takim rozwiązaniu możemy zasilać bez problemu dwa albo więcej ruchów jednocześnie. W sytuacji kiedy do zasilania układu wybierzemy pompę o stałej wydajności, będziemy mieli przy dużym dławieniu do czynienia z nadmiarem wydajności, który trzeba skierować przez zawór przelewowy do zbiornika. Manualne regulatory przepływu stosowane w układzie nie zmieniają nic w sposobie doboru pompy. Najlepiej będą współpracowały z pompą o zmiennej wydajności, natomiast pompa o stałej wydajności przy dużym dławieniu będzie wytwarzała nadmiar wydatku, co spowoduje spadek sprawności układu hydraulicznego.

Sposób regulacji ciśnienia w układzie będzie wynikał z założeń, jakie przyjmiemy przy konstruowaniu układu, związanych z technologią realizowaną przez maszynę. Jeżeli przyjmiemy, że budujemy prosty układ realizujący cały proces produkcji na jednym ciśnieniu, to wystarczy nam 1 zawór manualny ustalający ciśnienie w całym układzie. Możemy użyć oczywiście zaworu proporcjonalnego ciśnienia i będzie on współpracował tak jak zawór manualny z każdą pompą. Ale możemy użyć do deregulacji ciśnienia pompy o zmiennej wydajności sterowanej proporcjonalnie i wówczas za pomocą regulatora pompy będziemy mogli ustalać ciśnienie technologiczne w maszynie. Dobór pompy do układu jak widać nie ma większego wpływu na ciśnienie w układzie, należy jedynie pamiętać, że określone typy pomp mają swoje maksymalne ciśnienia robocze i wybierając pompę do układu, trzeba dobrać ją tak, aby ciśnienia technologiczne mieściły się w zakresie roboczym pompy.

Pompa do wody zębata kontra pompa wielotłokowa – co wybrać?

Jak zatem widać, dobór pompy do projektowanego układu nie jest rzeczą nazbyt skomplikowaną. Trzeba sobie określić jedynie cechy charakterystyczne maszyny związane z technologią danego projektu i założyć sposób realizacji poszczególnych funkcji, a reszta stanowi wynik przyjętych założeń. Nie da się ukryć, że na dobór pompy do układu poza aspektem technicznym ma też aspekt finansowy projektu. W obecnej chwili na rynku dostępnych jest wiele typów pomp mogących być źródłem zasilania dla układu hydrauliki. Najtańszym i najprostszym rozwiązaniem są tradycyjnie pompy zębate. Natomiast najbardziej wyrafinowanym źródłem zasilania są pompy wielotłokowe o zmiennej wydajności, ale zarazem jest to najdroższe rozwiązanie. Podejmując decyzję o wyborze pompy do układu, trzeba się zastanowić, czy warunki pracy układu oraz ewentualny serwis będą w stanie zapewnić długą żywotność technicznie bardzo zawansowanym pompom wielotłokowym o zmiennej wydajności, czy nie lepiej w niektórych sytuacjach zastosować mniej wymagających pomp zębatych, bo nawet ich częstsza wymiana będzie tańsza niż pomp wielotłokowych, a wymagania technologiczne maszyny nie zmuszają nas do stosowania tak zawansowanych technicznie rozwiązań. Warto jednak rozważyć przed dokonaniem wyboru wszystkie za i przeciw, aby decyzja była jak najbardziej racjonalna, co będzie miało wpływ na wynik ekonomiczny i w produkcji maszyny, jak i w późniejszej eksploatacji.

Układ hydrauliczny – dobór pompy do istniejącego układu

Inny problem to dobór pompy do istniejącego układu ze względu na jej awarię. Oczywiście najłatwiej jest, gdy znamy typ pompy, bo jest on zapisany w dokumentacji urządzenia lub możemy go określić na podstawie tabliczki znamionowej. W takim przypadku możemy z karty katalogowej pompy dowiedzieć się wszystkiego, co jest nam potrzebne do zamówienia drugiej pompy lub dobrania pompy w tym samym typie, ale od innego producenta. Dane takie mogą być nam także przydatne do doboru w miejsce pompy zębatej np. pompy wielotłokowej, bo eliminując awarię, możemy dokonać również modernizacji. Ma to sens, gdyż pompy wielotłokowe mają najczęściej wyższe parametry pracy i cechują się większą żywotnością od pomp zębatych, co może mieć wpływ na wydłużenie bezawaryjnej pracy maszyny czy zwiększenie sprawności układu.

Problem z doborem pompy w miejsce uszkodzonej zaczyna się, gdy na pompie nie ma tabliczki znamionowej i nie posiadamy dokumentacji urządzenia. Są dwa sposoby ustalenia, jakiej pompy potrzebujemy. Możemy wyliczyć wydajność geometryczną pompy lub wyliczyć na podstawie mocy silnika i ciśnienia roboczego, jaką największą wydajność pompy możemy napędzać danym silnikiem. Do wyliczenia geometrycznej objętości na obrót pompy zębatej może nam posłużyć poniższy wzór.

Wzór na objętość geometryczną pompy zębatej:

V – objętość geometryczna pompy na obrót (cm3)

w – grubość zębatki (cm)

d – średnica zębatki (cm)

L – wysokość ósemki (cm)

Wydajność pompy wyliczymy, mnożąc objętość geometryczną na obrót przez liczbę obrotów silnika napędzającego pompę.

Wydajność geometryczna pompy wielotłokowej możemy obliczyć w jeszcze prostszy sposób. Wystarczy zmierzyć średnicę tłoczka i jego skok i z wzoru na objętość walca wyliczyć, jaką tłoczek ma objętość, następnie przemnożyć wynik przez liczbę tłoczków. W ten sposób wyliczamy objętość geometryczną pompy na obrót i mnożąc ją jak poprzednio przez liczbę obrotów silnika napędzającego, otrzymujemy wydajność pompy. Ważne jest, aby brać pod uwagę szybkość wirowania silnika, bo często posługując się wydajnością, nie bierzemy pod uwagę, że producent wyliczył ją dla 1000 obr./min, a najczęściej spotykany silnik trzyfazowy używany do napędu pompy ma obroty nominalne 1450 obr./min. Wynika z tego, że jeżeli zastosujemy w układzie pompę o wydajności nominalnej 25 l/min, to przy napędzie zwykłym silnikiem elektrycznym uzyskamy wydajność ok. 37 l/min. Dlatego obecnie producenci podają objętość pompy na obrót, bo to gwarantuje, że pompa zostanie dobrana prawidłowo.

Drugim sposobem jest wyliczenie zapotrzebowania pompy na moc. Możemy z tabliczki znamionowej silnika odczytać jego moc. Znając ciśnienie robocze układu, możemy przy założeniu, że ktoś w momencie konstruowania układu dobrał silnik do pompy, wyliczyć, jaką największą pompę możemy napędzać takim silnikiem i w taki sposób ustalić, jaką pompę możemy zastosować w danym układzie.

Wzór na zapotrzebowanie pompy na moc:

P – zapotrzebowanie pompy na moc (KW)

B – wydajność pompy (cm3/obr.)

C – ciśnienie robocze (bar)

D – obroty silnika (obr./min)

E – sprawność mechaniczna (ok. 90%)

Pompa hydrauliczna – podsumowanie

Przedstawione w tekście praktyczne porady podparte odrobiną teorii odpowiadają na pytanie, czym kierować się przy doborze pompy do określonego urządzenia bądź konkretnego układu hydrauliki siłowej. Oczywistą kwestią przy doborze pompy do projektowanego urządzenia jest wzięcie pod uwagę charakterystycznych dla określonej maszyny czy procesu technologicznego przesłanek, ponieważ nie da się stworzyć jednej uniwersalnej reguły doboru pompy dla wszystkich urządzeń. Zawsze będzie to składowa wielu różnych zagadnień koniecznych do zrealizowania prawidłowego procesu produkcji. Mam jednak nadzieję, że ten artykuł przyczyni się do poszerzenia wiedzy czytelników w tym zakresie i zapobiegnie choćby kilku podstawowym błędom popełnianym przy doborze pompy do określonego układu hydrauliki siłowej.